INSTITUTO COSTARRICENSE DE ELECTRICIDAD

Plantas Hidroelctricas

PresentacinMs de un 80% de la electricidad que el ICE ofrece a los costarricenses proviene de los ros, este esfuerzo aunado a otros en el campo de la produccin de energa geotrmica, elica y trmica le permiten a Costa Rica ser uno de los primeros pases en cobertura elctrica en Latinoamrica. De esta forma nos identificamos y comprometemos con la proteccin del ambiente, haciendo uso eficiente de los recursos naturales para llevar progreso y bienestar hasta los rincones ms alejados del pas.

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Qu es una planta hidroelctrica?Una planta hidroelctrica es la que aprovecha la energa hidrulica, obtenida a partir del agua en movimiento, para producir energa elctrica. Inicialmente el agua se almacena en un embalse, donde tiene energa potencial; luego ingresa a las obras de conduccin donde se convierte en energa hidrulica; posteriormente se hace llegar a las turbinas para que con su empuje, estas comiencen a girar. La energa mecnica producida por las turbinas es utilizada por los generadores para producir energa elctrica. sta se enva a la subestacin elevadora cercana a la planta para que se eleve la tensin o voltaje, de modo que la corriente elctrica pueda llegar hasta los centros de consumo con suficiente calidad. El proceso es regulado desde la sala de control. Las partes que constituyen una planta hidroelctrica son:

Fuente de abastecimiento Obras de conduccin Casa de mquinas Subestacin

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I. Fuente de abastecimientoEs la que suministra el caudal necesario que requieren las turbinas para realizar el proceso de generacin. La fuente est constituida por uno o varios ros que aportan sus aguas a un embalse, el cual es muy importante para que el abastecimiento de agua no se vea afectado por las variaciones de caudal en el o los ros. El embalse puede estar en el cauce del ro principal o en un sitio alejado de ste. Para formar el embalse es necesario realizar una serie de estudios cuyo objetivo es definir un sitio en particular del ro donde se construya la represa (o presa, como se le dice abreviadamente). La presa es una pared que cierra una depresin geogrfica atravesada por el ro para originar el embalse, ya sea frente a ella o en un sitio alejado del ro. Para construir la represa se debe desviar el ro aguas arriba del sitio donde la misma se levantar; para este fin es necesario construir un tnel de desvo, el cual funciona mientras se construye la represa. Para definir el nivel mximo del embalse, la presa puede ser del tipo gravedad vertedora, cuya cresta permite el paso del agua sobre ella, de modo que al llegar el agua a su mximo nivel, el excedente vierte sobre la cresta y sigue su recorrido aguas abajo en el ro. Si la represa no es de este tipo se debe contar con una estructura llamada vertedor, la cual descarga el exceso de agua aportada por la cuenca hidrogrfica al embalse. El vertedor puede estar dentro de la estructura de la represa o en un sitio cercano a sta.

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II. Obras de conduccinSon las que permiten el traslado del agua desde el ro o el embalse hasta la casa de mquinas. Normalmente estn constituidas por el tnel y la tubera de presin; en algunos casos se incluye uno o varios canales, generalmente localizados entre el ro y el embalse. Si las aguas arrastran material erosionado de los suelos, la conduccin debe incluir desarenador y desgravador para procurar que el agua que llega a las turbinas lleve un mnimo de estos materiales y as evitar el desgaste acelerado de las turbinas y el bloqueo constante de los filtros de stas. Canal: Es una obra de conduccin a cielo abierto (en la superficie). Generalmente se ubica en la zona comprendida entre el ro y el embalse. Tnel: Es un tramo de conduccin, usualmente de gran longitud, ubicado dentro de una montaa. Si se inicia en una de las paredes del embalse, la entrada est constituida por la toma de aguas, en cuyo frente existe un enrejado para impedir que objetos voluminosos y restos de rboles y animales ingresen al tnel. En el extremo posterior, la toma de aguas cuenta con una compuerta de acceso que permite o impide el ingreso del agua al tnel. Tubera de Presin (Tubera Forzada): Es el extremo de la conduccin; se llama as porque al ubicarse en la parte inferior de la conduccin soporta la gran presin del agua en su recorrido final hacia las turbinas. En su inicio suele incluir una vlvula tipo mariposa para suspender el paso del agua si existe algn problema en la conduccin, ya sea en el tnel o en la tubera de presin. La tubera se divide en tantas ramificaciones como turbinas haya en la casa de mquinas. Cada ramificacin de la tubera de presin remata dentro de la casa de mquinas en su respectiva vlvula esfrica de admisin, la cual permite o impide que el agua llegue a la turbina respectiva. Tanque de Oscilacin: Es una estructura de proteccin de las obras hidrulicas, vale decir, el tnel, la tubera de presin y las turbinas. Generalmente se ubica entre el tnel y la tubera de presin. En l se cumple el principio hidrulico de los vasos comunicantes, ya que el agua recupera dentro del mismo el nivel que hay en el embalse cuando se cierran las vlvulas de admisin de las turbinas. El tanque cumple tres funciones de mucha importancia: Permite el escape del aire que se retiene en el tnel al finalizar la construccin de ste; con ello impide que el agua arrastre una masa de aire que, si llegase a las turbinas, las destruira. Cuando las vlvulas se cierran por algn motivo, el agua que se acumula en el tanque de oscilacin amortigua la onda de choque llamada golpe de ariete, que se propaga de las vlvulas de admisin hasta el tnel y lo podra daar de no existir esa gran masa de agua en el tanque para disipar dicha energa. Suministra suficiente caudal de agua cuando se abren las vlvulas de admisin de las turbinas mientras llega el caudal requerido que aporta el embalse, para que la tubera de presin siempre tenga una presin interna superior mayor que la atmosfrica, de modo que sta no aplaste a la tubera.

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III. Casa de MquinasEs el edificio donde se realiza el proceso de conversin de energa hidrulica en elctrica. Consta de varios elementos bsicos, entre los cuales se encuentran las vlvulas esfricas de admisin, las unidades turbogeneradoras, la sala de control, los equipos auxiliares y otras obras menores, como oficinas, gra viajera, bodega, taller, entre otros. Unidades turbogeneradoras Las unidades turbogeneradoras estn constituidas cada una por una turbina y un generador. La turbina hidrulica es el elemento mecnico que funciona impulsado por el agua. Las turbinas hidrulicas pueden ser de tres tipos: Pelton: Son ruedas de impulso que se emplean cuando la cada es grande y el caudal pequeo, como en el caso de la planta Ro Macho. Usualmente son de eje horizontal. Francis: se le llama tambin turbina de reaccin, de remolino o de vrtice; se emplean en cadas medianas y con caudales tambin medianos, como en la mayora de plantas hidroelctricas de Costa Rica: La Garita, Cach, Arenal, Miguel Dengo (Corobic), Toros, Angostura, etctera. Usualmente son de eje vertical. Kaplan: Son turbinas Francis modificadas para cadas muy pequeas, generalmente inferiores a 50 metros, y caudales muy grandes; son de eje vertical. La nica planta en Costa Rica que emplea este tipo de turbina es la Planta Hidroelctrica Sandillal. Una vez que el agua hace girar la turbina cae a una cmara, de la cual se toma parte del agua ah presente para el enfriamiento de los equipos de generacin; luego toda el agua libre es enviada al ro a travs del canal de desfogue, llamado tambin canal de restitucin.

T i p o s

d e

t u r b i n a s

Turbina Francis

Turbina Pelton Turbina Kaplan

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Generador o AlternadorEs la mquina que transforma la energa mecnica en elctrica. Debido a que produce corriente alterna, tambin se le llama alternador. Est constituido bsicamente por dos elementos: uno externo y esttico, llamado precisamente estator por esta razn y el otro interno que gira (rota) dentro de aqul, por lo que recibe el nombre de rotor. Tanto el estator como el rotor estn constituidos por una gran cantidad de bobinas, las cuales son arrollados de cobre. Estas bobinas tienen la facultad de concentrar poderosos campos electromagnticos a su alrededor, lo cual es indispensable para la generacin de electricidad. Funcionamiento del generador: Existe un fenmeno elctrico llamado induccin electromagntica, el cual establece que si un conductor elctrico se halla sometido al efecto de un campo magntico y uno de los dos se pone en rotacin, entre los extremos de dicho conductor se establece una diferencia de potencial, lo cual crea un flujo de electrones, vale decir, una corriente elctrica. Para iniciar el proceso de generacin, el rotor es alimentado con corriente directa (cd) o continua (cc); las bobinas del rotor crean entonces un poderoso campo electromagntico entre el rotor y el estator. Elctricamente al rotor se le llama inductor. El efecto del campo electromagntico se propaga al estator, por lo que a ste se le conoce elctricamente como inducido. Cuando el rotor gira impulsado por su respectiva turbina se rompe el campo electromagntico y el estator acta como el extremo del conductor, originndose la electricidad, la cual pasa por las barras de salida y es enviada al transformador de potencia, ubicado en la subestacin elevadora cercana a la casa de mquinas. Subestacin Elevadora: Los alternadores de la casa de mquinas producen la electricidad a relativamente baja tensin, 13 800 voltios, lo cual hace imposible que sta llegue hasta los centros de consumo con suficiente calidad. Es necesario entonces que la electricidad aumente su tensin, para lo cual se requiere la subestacin elevadora. En sta se halla una serie de equipos para tal efecto: Transformadores de potencia: Se usan para elevar la tensin, de 13 800 a 138 000 o a 230 000 voltios. Disyuntores: Sirven para interrumpir el paso de electricidad hacia el Sistema Nacional Interconectado. Seccionadores: Se emplean para interrumpir el paso de electricidad hacia una direccin o rea de consumo en particular. Transformadores de medicin de corriente y voltaje. Aisladores de paso: Sostienen las partes energizadas y aslan los cables de unin entre los distintos equipos. Pararrayos: Se emplean para proteger los equipos contra las descargas atmosfricas (rayos). Malla a tierra: Es un enrejado situado a poca profundidad que permite la descarga de voltajes inducidos en las estructuras de la subestacin. Hilos-guarda: Es una malla area de proteccin para evitar la cada de las descargas atmosfricas directamente sobre los equipos de la subestacin.

Sala de ControlEs el sitio desde el cual los operadores de la planta controlan todo el proceso de generacin. La sala de control cuenta con los siguientes equipos y sistemas: Pupitres de mando: Permiten el manejo de cada unidad turbogeneradora en forma independiente. Tableros indicadores: Permiten la lectura y el registro de las variables elctricas durante la operacin de cada unidad. Alarmas y protecciones. Sistemas de comunicacin: Central telefnica, lneas telefnicas directas para enlace con el Centro de Control, sistema de radio, intercomunicadores y mquina de fax. Tableros de mano: Para la operacin de la subestacin elevadora.

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Adems, en la Casa de Mquinas se hallan: Equipos auxiliares, como bombas de agua para el enfriamiento de los alternadores, bombas lubricantes, extintores; un banco de bateras para la autoalimentacin elctrica en caso de que las unidades estn fuera de servicio y vayan a entrar en operacin, gra viajera, montada internamente en la parte alta del edificio, utilizada para montar y desmontar las unidades durante los perodos de mantenimiento de las unidades; taller mecnico y elctrico y bodega. Recorrido de la electricidad hasta el medidor del cliente La electricidad que sale del alternador segn se explic antes, en primera instancia llega al transformador de potencia, ste eleva la tensin o voltaje para que sea enviada luego hasta los centros de consumo con suficiente calidad. Cerca de stos se halla la subestacin reductora, la

cual incluye los transformadores cuya funcin es bajar la tensin a la requerida para la distribucin primaria; sta se lleva a cabo en cables de posicin horizontal sobre los postes en las ciudades y comunidades. A continuacin la electricidad pasa al transformador de distribucin, que reduce an ms la tensin para ajustarla a la distribucin secundaria, que se realiza en cables de posicin vertical, a cuyo conjunto se le llama popularmente pentagrama, el cual tambin es soportado por los postes de distribucin pero a un nivel inferior que el de la red primaria. Finalmente se halla la acometida, que es el conjunto de cables elctricos que llevan la electricidad del pentagrama al medidor elctrico, a la entrada de la instalacin del cliente.

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PLANTAS HIDROELECTRICAS DEL ICEA continuacin se presenta un resumen de cada una de las plantas hidroelctricas del Instituto Costarricense de Electricidad: Turbinas: 1 y 2. tipo Francis, de eje vertical. Giran a 514 r.p.m.; consumen 14,3 m3/s cada una. 3 y 4. tipo Francis, de eje vertical. Giran a 400 r.p.m.; consumen 25,5 m3/s cada una. Alternadores: 1 y 2: Potencia: 18 680kW cada uno; voltaje: 13 800 volts. 3 y 4. Potencia: 48 690kW cada uno; voltaje: 13 800 volts. Potencia total: 134 740kW. Fecha de entrada en operacin: 28 de abril de 1958. Nota: la fase constructiva para la ampliacin de la Planta La Garita se conoci como Proyecto Hidroelctrico Ventanas-Garita.

1- La GaritaUbicacin: 5km al sur de Cebadilla, en los distritos de La Garita y Turrcares, cantn central de la provincia de Alajuela. Fuente de abastecimiento: Ros Grande de San Ramn (unidades 1 y 2) y Virilla (unidades 3 y 4).

2- Ro MachoUbicacin: 6km. al este de Orosi, cantn de Paraso, provincia de Cartago. Fuente de abastecimiento: Ros Macho, Grande de Tapant, Porras, Humo, Villegas y Pejibaye. Turbinas: 8 tipo Pelton de eje horizontal. Giran a 450 r.p.m.; consumen 4,37 m3/s cada una (unidades 1 y 2) y 4,46 m3/s cada una (unidades 3, 4 y 5).

LA GARITA

Alternadores 1 y 2. Potencia: 15 000kW cada uno; voltaje: 13 800 volts. 3, 4 y 5. Potencia: 30 000kW cada uno; voltaje: 13 800 volts. Potencia total: 120 000kW. Fecha de entrada en operacin: 1 de junio de 1963. Nota: la fase constructiva para la ampliacin de la Planta Ro Macho se conoci como Proyecto Hidroelctrico Tapant, con el cual se incluyeron las unidades N 3 y 4 en 1972; posteriormente se instal la quinta unidad en 1978; no obstante, esta ampliacin no fue parte del Proyecto Hidroelctrico Tapant.

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RIO MACHO

PLANTAS HIDROELECTRICAS DEL ICE

3- CachUbicacin: 4km. al sur de Juan Vias, cantn de Jimnez, provincia de Cartago. Fuente abastecimiento: Ro Reventazn. Turbinas: 3 tipo Francis de eje vertical. Giran a 514 r.p.m.; consumen 17,75 m3/s cada una. Alternadores: 1 y 2. Potencia: 32 000kW cada uno; voltaje: 13 800 volts. 3. Potencia: 36 800kW cada uno; voltaje: 13 800 volts. Potencia total: 100 800kW. Fecha de entrada en operacin: 7 de mayo de 1966.

Alternadores: 3. Potencia: 52 466,25kW cada uno; voltaje: 13 800 volts. Potencia total: 157 398,75kW. Fecha de entrada en operacin: 9 de diciembre de 1979.

4- ArenalUbicacin: 3,3km. al oeste de la ciudad de Tilarn, provincia de Guanacaste. Fuente de abastecimiento: Embalse Arenal, represamiento del ro homnimo y sus tributarios principales: Aguas Gatas, Cao Negro y Chiquito. Turbinas: 3 tipo Francis de eje vertical. Giran a 360 r.p.m.; consumen 31,61 m3/s. cada una.

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CACH

ARENAL

PLANTAS HIDROELECTRICAS DEL ICE

5- Ing. Miguel Pablo Dengo Benavides (Corobic)Ubicacin: 4,5km. al norte de la ciudad de Caas, Guanacaste. Fuente de abastecimiento: Embalse Santa Rosa, contiguo a la casa de mquinas Arenal. Esta planta utiliza las aguas del Embalse Arenal en cascada por segunda vez. Turbinas: 3 tipo Francis de eje vertical. Giran a 360 r.p.m.; consumen 32,5 m3/s. cada una. Alternadores: 3. Potencia: 58 004kW cada uno; voltaje: 13 800 volts. Potencia total: 174 012kW. Fecha de entrada en operacin: 20 de marzo de 1982.

6- Alberto EchandiUbicacin: Bajo Cambronero, 23km al suroeste de la ciudad de San Ramn, en la provincia de Alajuela. Fuente de abastecimiento: Ro Barranca. Turbinas: 1 tipo Francis de eje horizontal. Gira a 1 200 r.p.m.; consume 2,32 m3/s. Alternador: 1. Potencia: 4 696kW; voltaje: 4 180 volts. Potencia total: 4 696kW.

ING. MIGUEL PABLO DENGO BENAVIDES

Fecha de entrada en operacin: 5 de marzo de 1990.

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ALBERTO ECHANDI

PLANTAS HIDROELECTRICAS DEL ICE

7- SandillalUbicacin: 4,5km. al noroeste de la ciudad de Caas, Guanacaste. Fuente de abastecimiento: Embalse Sandillal, 1 km. aguas abajo de la casa de mquinas Miguel Pablo Dengo. Esta planta utiliza las aguas del Embalse Arenal en cascada por tercera vez. Turbinas: 2 tipo Kaplan de eje vertical. Giran a 300 r.p.m.; consumen 50 m3/s. cada una. Alternadores: 2. Potencia: 15 988,50kW cada uno; voltaje: 13 800 volts. Potencia total: 31 977,00kW. Fecha de entrada en operacin: 10 de noviembre de 1992.

Alternadores: 2. Potencia: 11 602,50kW cada uno; voltaje: 13 800 volts. Potencia total: 23 205kW. Fecha de entrada en operacin: 20 de setiembre de 1995.

8- Toro IUbicacin: 8km. al noreste de la poblacin de Bajos del Toro, de Sarch, cantn de Valverde Vega, provincia de Alajuela. Fuente de abastecimiento: Ro Toro. Turbinas: 2 tipo Francis de eje vertical. Giran a 720 r.p.m.; consumen 7,6 m3/s. cada una.

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SANDILLAL

TORO I

PLANTAS HIDROELECTRICAS DEL ICE

9- Toro IIUbicacin: 10km al sur de la poblacin de Marsella de Venecia, cantn de San Carlos, provincia de Alajuela. Fuente de abastecimiento: Ro Toro. Turbinas: 2 tipo Francis de eje vertical. Giran a 720 r.p.m.; consumen 9,82 m3/s. cada una. Alternadores: 2. Potencia: 32 868kW cada uno; voltaje: 13 800 volts. Potencia total: 65 736kW. Fecha de entrada en operacin: 30 de agosto de 1996.

10- AngosturaUbicacin: Bajo San Lucas, 14km. al este de Turrialba, provincia de Cartago. Fuente de abastecimiento: Ro Reventazn. Turbinas: 3 tipo Francis de eje vertical. Giran a 300 r.p.m.; consumen 54m3/s. cada una. Alternadores: 3. Potencia: 57 400,50kW cada uno; voltaje: 13 800 volts. Potencia total: 172 201,50kW. Fecha de entrada en operacin: 17 de octubre del 2000.

TORO II

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ANGOSTURA

PLANTAS HIDROELECTRICAS DEL ICE

12- Peas BlancasUbicacin: 1km. al oeste de la poblacin de San Isidro de Peas Blancas, cantn de San Ramn, provincia de Alajuela. Fuente de abastecimiento: Ro Peas Blancas. Turbinas: 2 tipo Francis de eje vertical. Giran a 514 r.p.m.; consumen 16,5m3/s. cada una. Alternadores: 2. Potencia: 18 870kW cada uno; voltaje: 13 800 volts.

Potencia total: 37 740kW. Fecha de entrada en operacin: 21 de agosto del 2002.

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PEAS BLANCAS

Esquema

Plantas Hidroelctricas1 2 4 6 3

7 5 f

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1. Fuente (ro) 2. Embalse 3. Presa y vertedores 4. Toma de aguas 5. Tnel de conduccin 6. Tanque de oscilacin 7. Tubera de presin 8. Casa de mquinas a. Vlvula esfrica de admisin b. Tubera c. Generador o alternador d. Sala de control e. Equipos auxiliares f. Gra viajera g. Canal de desfogue

d c e a hUnidad turbogeneradora

g

Turbina Francis

Turbina Pelton

Turbina Kaplan